Невалентные взаимодействия и конформации с моно- и полисахаридах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

б

Московский ордена Ленина н ордена Трудового Красного Знамени химико-технологический институт имени Д. И. Мен^елгёва

4/ Л С '

На правах рукописи УДК 339.1

ПАНОВ ВАЛЕРИЙ ПЕТРОВИЧ

НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И.НОНФВРМАЦИЙ В МОНО- И ПОЛИСАХАРИДАХ

02.00.03 — органическая химия

02.00.10 — биоорганическая химия, химия природных и физиологически активных веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва — 1989

' Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском 4институте технологии кровезаменителей и гормональных препаратов (г. Москва).

Официальные оппоненты: академик АН БССР, доктор химических паук, профессор И. Н. Ермоленко; доктор химических наук, профессор Б. И. Степанов; доктор ХН МЛЧРОКП X IIЯ УК, профессор П. М. Зоркий.

Ведущая организация — Институт органической химии им. Н. Д. Зе.тинекого АН СССР.

Зашита состоится _ 1989 г.

в _ час. в а уд. _ на заседании специализированного 'совета Д 053.34.07 при Московском хпмик.о-те;хпологнческом институте имени Д. II. Менделеева по адресу: 125820, ГСП. Москва. А-47,. Миусская пл., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре Московского химико-технологического института имени Д. II. Менделеева.

Автореферат разослан_ 1989 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор химических наук

В. П. ПЕРЕВАЛОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В природе большая роль принадлежит моно- и полисахаридам, которые широко участвуют в различных процессах жизнедеятельности. Исключительная практическая значимость углеводов поставила в качестве первоочередной задачу, по установлению связи структуры этих соединений с физическими, химическими и биологическими свойствами. Глубокое изучение пространственной структуры, характера внутри- и межмолекулярных взаимодействий в моно- и полисахаридах - необходимый фактор не только познания существа важнейших молекулярных механизмов в живой природе, но и поиска новых областей применения огромных ресурсов углеводеодержащего сырья,, придания ценных эксплуатационных свойств полисахаридам, их широкого промышленного освоения. Количественная оценка невалентных взаимодействий, поиск закономерностей формирования пространственных структур лежат в основе решетя узловых проблем химии и биологии моно- и полисахаридов. Без этих знаний невозможен строгий структурный анализ углеводов в растворе, кристаллическом и аморфном состояниях, установление структурно-функциональных отношений, корреляций типа "спектр-структура", синтез соединений, конструирование материалов с заданным комплексом свойств. Указанное определяет актуальность и необходимость развития выбранного направления исследований по стереохимии важнейших представителей класса углеводов - альдопираноз, альдопиранозидов, полисахаридов на их основе. Элективное решение этих фундаментальных и прикладных проблем базируется на арсенале теоретического конформационного анализа, современных приемах спектроскопических и дифракционных методов. Большинство этапов исследований проводилось в соответствии с заданиями общесоюзных научно-технических программ (0Ц.042, 0,43.01 -утверждены Постановлениями ГКНГ ССОР ¡i 320/163/94 от 31.07.1981 г. и № 555, приложение № 159 от 30.10.1986 г.), планами, развития науки и техники на I98I-I985 гг. и 1986-1990 гг. Минмедбиопрома СССР.

Цель работы. Изучение внутри-.и межмолекулярных взаимодействий, пространственной структуры, стереохимических закономерностей, структурно-функциональных зависимостей, развитие инструментальных методов структурного анализа в ряду моно- и полисахаридов для поиска новых областей их практического применения.

Основные задачи, исследования. Работа включала следующие зада!--чи теоретического и прикладного характера,!

а) разработка методических подходов к количественной оценке эде£-

гии взанмодей твиД, геометрии молекул углеводов в различных агрегатных состояниях расчетныгч и экспериментальными методами;

б) поиск стереохиг/лческих закономерностей, нахождение структурно-функциональных зависимостей, необходимых для целенаправленного конструирования материалов с заданным комплексом свойств;

в) разработка экспериментальных средств и способов спектроскопического анализа, установление корреляций типа "спектр-структура", решение структурно-аналитических задач;

г) роль внутри- я межмолекулярных взаимодействия в формировании пространственных структур, влияние структурного фактора на механизм реакции с участием молекулы углевода;

д) статистически? анализ водородных связей 0-Н...0 и его следствия.

Защищаемые положения

1. Методические подходы к расчету энергий взаимодействий, информации в моно- и полисахаридах в различных агрегатных состояниях на основе согласованной системы потенциальных функций.

2. Экспериментальная техника, средства автоматизации, способы и приемы спектроскопического анализа моно- и полисахаридов.

3. Результаты конформационного анализа 1-альдопенто- и Л)-альдо-гексогтараноз, их моно-, ди-, три-, тетра- и пента-О-метильных производных методом ААПФ, спектроскопические данные по неваленг-ннм взаимодействиям и геометрии молекул:

- устойчивость креслообразных форм цикла, общие закономерности, связывающие типы запретов на ротационные состояния боковых групп с конфигурацией сахарида, числом и местом присоединения групп;

- предсказательность метода ААПФ, количественная оценка устойчивости . аномеркых форм Т)-альдопираноз, трактовка аномерного эффекта.

4. Способы оценки конфирмационных энтрсгшй моносахаридов, адекватность ротационных запретов в мономернкх звеньях £-гликанов и соответствующих производные Э-альдопираноз и как следствие:

- формулы числа разрешенных конформаияоннкх состоят-?, энтропий линейных, разветвленных, смешанных, частично замещенных полисахаридов;

- вероятность замещения ОН-групп, вариации гибкости цепе?.

5. Систематика Н-связей в 3>-альдопиранозат, их частично замещенных производных, интерпретация ПК-спектров растворов моно- и по-

лисахаридов в области О(ОН).

6. Явление селективно!! _^-аяомеризации аглнкона при образовании оснований ШифТа I)-гексозашнов с ароматическими альдегидами, механизм реакции конденсации указанных соединений, синтез ряда аномеров с кон^ормацией ^С^ (I).

7. Невалентнне взаимодействия и конформации в целлюлозе и ее эфирах:

- возможные формы макромолекул, поляризация полос валентных колебаний в Ж-спектрах;

- устойчивость креслообразных форм, ротамерия боковых групп, кон-формационная подвижность цепей, влияние свойсте среди;

- способы оценки химической и структурной неоднородности, доступности непроэтерифицированных ОН-групп, адсорбционных свойств эфзров целлплозы с помощью методов ШР и ИК-спектроскошш.

8. Ротационные состояния ОН-групп, Н-связл в кристаллических угле водах :

- сопоставление с дифракционным экспериментом, уточнение молеку-лярно-кристаллическнх структур;

- роль мезшолекулярных взаимодеЛстЕиЗ.

Э. Статистически! анализ геометрических и энергетических параметров 0-Н...0 связей в кристаллических углеводах, их корреляция с частотами колебаний р(ОН), интерпретация спектров моносахаридов.

Научная новизна. Полученные данные залонили теоретическую я экспериментальную основу для изучения невалентныг взаимодействия, конформациЗ в классе углеводов при решении задач по создания на их основе материалов с заданным комплексом свойств. Установлены общие для всех 3) -альдопираноз и их производных закономерности, связывающие запреты на ротационные состояния боковых групп с конфигурацией асимметрически* центров, числом и местом присоединения боковых групп. Дана количественная оценка устойчивости креслооб-разных и аномерныг форм в углеводах. Предсказано число разрешенных информационных состояний, получены формулы расчета конформа-циояных энтропиЗ линейных, разветвленных, смешанных, частично еа-мещешшх полисахаридов, проанализирована вероятность замещения ОН-групп, гибкость цепей с увеличением степени разветвления. Представлена систематика внутримолекулярных Н-связе8 в молекулах I) -альдопираноз и их производных. Обнаружено явление селективной ^З-аномеризации агликона при образовании оснований ШифТа Зьгек-

созаминов с ароматическими альдегидами, раскрыт механизм реакции. Показаны пути использования ИК-спектроскопии при определении Н-связывания, ротамерии боковых групп в растворах моно-, да- и полисахаридов. Теоретическими и экспериментальными методами изучены кевалентные взаимодействия и конформащш в целлюлозе и ее эфирах. С помощью ААПФ впервые определены ротационные состояния ОН-групп, геометрические и энергетические параметры Н-связей в кристаллических углеводах, уточнены молекулярно-кристаллические структуры отдельных соединений. Проведен статистический анализ 0-Н...0 связей, предложено соотношение для оценки суммарной энергии водородного связывания в кристаллических углеводах, представлены корреляции между параметрами связей 0-Н...О и частотами колебаний О(ОН), интерпретированы спектры ряда моносахаридов.

. Практическая ценность. Полученные в работе данные заложили основу структурно-химического анализа моно- и полисахаридов, способствовали развитию метода ААПФ, как в части создания сети программных средств, так и его общей методологии. В практике научных коллективов находят использование сведения об устойчивости крес-лообразных и аномерных форм, общие ротационные закономерности в 1>-альдопиранозах и их производных, систематика внутри- и межмолекулярных Н-связей. Результаты конформационного анализа реализованы во ВНШТКГП, Институте биофизики Минздрава СССР, Институте физики АН БССР, МХТИ им. Д.И.Менделеева при решети химико-технологических задач. Определение молекулярно-кристаллической структуры углеводов методом ААГО позволит в ряде случаев отказаться от применения сложного и дорогостоящего нейтронографического эксперимента.-

Адекватность ротационных запретов в мономерных звеньях 3)-гликанов и соответствующих производных З-альдопираноз позволяет прогнозировать'конформационные состояния, оценивать энтропии линейных, разветвленных, смешанных, частично замещенных полисахаридов, вероятность замещения ОН-групп в 1>-гликанах, вариации гибкости цепей с ростом степени разветвления и (или) замещения - необходимых факторов поиска путей модификации полисахаридов для придаюш им требуемых физико-химических и биологических свойств. Совокупность конформационных и стереохимических закономерностей, выявление.роли внутри- и межмолекулярных взаимодействий в формировании пространственных структур направлены на более эффективное и широкое использование углеводоЕ.

Разработаны устройства, приспособления, приемы и способы фи-

зако-химического анализа углеводов: полифунациональная приставка для съемки теипературных в поляризационных спектров в режимах ва-нуумирования, ориентации, нзотопозамещения образцов, адсорбционная установка к ИК-спактрометраы, способы регистрации спектров в водных растворах, приемы уменьшения светорассеяния волокон. Получила развитее средства автоматизации спектроскопических измерений: капанный анализ по спектру ЯЯР сложных многокомпонентных скесей биоорганических соединений, включающих углеводы, система аккумуляции сигналов на магнитную ленту, система обработки экспериментальных контуров на ЭВМ. Методы физико-химического контроля средств на основе полисахаридов освоенн Московским эндокринным заводом, Курганским комбинатом "Синтез", ПО "Белмедпрепараты". Способы оценка гидрофильных свойств водорастворимых полисахаридов используются при поиске эффективных плазмоакспандеров, антеросорбентов. Открытие явления селективной _^-аномеризацни агликона при образовании оснований Шиф*а 1-гексозаминов с ароматическими альдегидами открыло пути синтеза биологически активных _Р-аномеров производных Э-гексозаминов. Разработаны пригодные для практики способы оценки химической неоднородности,- доступности непроэтерифицированных Ш-груш, адсорбционных свойств полисахаридов. Найденные корреляции "спектр-структура" расширили возможности методов ИК- и ЯМР-спект-роскопии при решении структурно-аналитических задач в области^хж-|.ши углеводов.

Публикации и апробация работы. Основные положения диссертации отражены в 51 печатной работе, в том числе в 3 монографиях (соеяз-стно с Р.Г.Жбанковым), 5 обзорах, 2 сборниках.

Материалы диссертации докладывались на 8 Ыездународпоа сикпо-зиуые по химии природных соединенна (Индия, 1972), 10 Международном микросимпозиуме ИШАК по кокформациоянкм структурам полимеров (ЧССР, 1972), 2 Европейской конгрессе по молекулярной спектроскопии (Таллин , 1973), Всесоюзном семинаре по использовании ЗВМ в спектроскопии молекул (Новосибирск, 1973), 3 Совзтско-Индийоком симпозиуме по химии природных соединений (Ташкент, 1973), на Всесоюзных симпозиумах и семинарах по кезуолёкулярному взаимодействия и копформациям молекул (2 симпозиум - Волгоград, 1974; 3 симпозиум - Пущяно, 19765 4 симпозиум - Баку, 1978; 5 симпозиум - Алма-Ата, 1980 ; 6 симпозиум - Вильнюс, 1982; 7 симпозиум - Пуитано, 1986), I Всесоюзной конференции по химии и физике целлюлозы (Рига, 1975), Всесоюзной конференции по зфирам целлюлозы (Владимир, 19?и^

Всесоюзной коьференгош по водородным связям (Харьков, 1977), I, 2 и 3 Всесоюзных конференциях по актуальным проблемам технологии кровезаменителей, гормональных и органотерапевтических препаратов (Москва, 1977, 1982, 1987), Всесоюзном симпозиуме по современному состоянию биоорганической кристаллохимии (Звенигород, 1978), 2 и 3 Московских конференциях ВХО им. Д.И.Менделеева по органической химии г. технологии (Москва, 1979, 1982), 4 и 5 Всесоюзных конференциях по аналитической химии органических соединений (Москва, 1980, 1984), Ï2 Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Баку, 1981), 7 Международном конгрессе по магнитному резонансу (США,

1983), 8 Международном симпозиуме по дрожжам (Индия, 1983), 4 Всесоюзном совещании по органической кристаллохимии (Звенигород,

1984), Всесоюзном симпозиуме по физико-химическим свойствам биополимеров в растворе и клетках (Пущино, 1985), Всесоюзной конференции.по использованию ЭВМ в химических исследованиях и спектроскопии молекул (Рига, 1986), Международных симпозиумах по горизонтам в исследовании водородных связей (Польша, 1987; Черновцы, 1989).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, основных результатов и выводов, библиографии и приложения. Работа изложена на 434 страницах, включая 71 рисунок, 40 таблиц и список литературы из 518 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ.

Излагаются предпосылки и основные проблемы исследования, обосновывается актуальность работы, раскрывается структура диссертации.

ГЛАВА I. ВНУТРИ- И МЕШОЛЕОТЯРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ, КОНФОРМАЦИИ В УГЛЕВОДАХ (обзор литературы).

Первый раздел главы вводит в стереохимию углеводов, в нем сформулированы понятия, необходимые для рассмотрения пространственных характеристик углеводов. Указаны способы обозначения кон-формаций, проиллюстрированы пути конформационных переходов пирано зидов. Представлена употребительная номенклатура и классификация моно-, да- и полисахаридов. Описание форм пирздозных циклов, рота ционных состояний боковых привесков, относительных ориентации остатков в полисахаридах дается в терминах существующих и специально разработанных правил.

Во втором разделе излагаются теоретико-расчетные процедуры исследования невалентных взаимодействий и конформашй молекул. Об

суждаются основные положения метода атом-атомных потенциальных функций '(АА1Ш, который предсказывает геометрические и энергетические характеристики органических соединений, исходя из небольшого числа параметров, определяемых из эксперимента. Описаны способы представления составляющих потенциальной энергии, техника расчета. Сопоставлены возможности неэмпиричеоких и эмпирических методов информационного анализа, в случае объектов повышенной сложности подчеркивается приоритетность метода ААЛФ.

Третий раздел посвящен экспериментальным методам исследования геометрических и энергетических характеристик молекул (дифракционные методы, колебательная спектроскопия, fiMP, ДОВ, КД). Основное внимание уделено анализу работ, наиболее плодотворных в эволюции невалентных взаимодействий и конформаций углеводов.

Четвертый раздел вводит в обзор работ по геометрии, конформа-ционным свойствам 2>-альдопираноз и их многочисленных производных. Систематизированы сведения о пространственных организациях углеводов, роли внутри- и межмолекулярных взаимодействий в отборе конформаций, освещены вопросы стабильности креслообразных форм. Показана необходимость исследований ротационных состояний боковых привесков, информационных энтропий моносахаридов, устойчивости ано-мерных форм, геометрии и энергетики внутри- и межмолекулярных Н-связей в углеводах в разных агрегатных состояниях.

В пятом разделе обсуждаются работы по невалентным взаимодействиям и конформациям полисахаридов.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕВАЛЕНТНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ И КОНФОРМАЦИЙ В MOHO- И ПОЛИСАХАРИДАХ.

В первом разделе представлена методология расчета геометрических и энергетических характеристик молекул с помощью модели ААЛФ. Попарные взаимодействия валентно несвязанных атомов характеризовали потенциалами Скогта-Шераги и В.Г.Дашевского. Отдельные постоянные для перекрестных взаимодействий были вычислены специально. Электростатику рассчитывали в монопольном приближении, зарядовые распределения заимствованы из квантовохимических расчетов, влияние среды моделировали введением эффективной диэлектрической постоянной. Энергию деформации валентных углов оценивали в гуковском приближении с уточненными значениями констант упругости валентных углов . Торсионные вклады вычисляли посредством питцеров-ских потенциалов с константами, учитывающими Еклад от взаимодействия валентно несвязанных атомов. Энергии внутри- и

Рис.1. Схема молекулы j¡¡-Л)-глхжопиранозы и система отсчета торсионных углов «pj, и Атомы н не указаны.

и межмолекулярных водородных связей в моно- и полисахаридах рассчитывали с помощью потенциалов 12-10 с константами отдельно для изолированных молекул и молекул в кристалле. Сохранение цикличности в процессе нахождения устойчивых конформаций пиранозного кольца обеспечивалось введением эффективного "стягивающего" потенциала. Предварительный анализ конформационных возможностей молекул моно- и полисахаридов включал построение конформационных карт, использование метода "сеток". Положение локальных минимумов потенциальной функции определяли с помощью модифицированного градиентного метода, на заключительных этапах расчетов применяли квадратичный метод Ньютона -Рафсона.

В этом же разделе дается описание программы "Оригинал", расчета конформаций любых моносахаридов на основе пиранозного цикла, программы "Целл" расчета конформаций макромолекул гликанов и их произ-

Рис. 2. Схема Фрагмента цепи целлюлозы. Атомы водорода не обозначены

водных, а также программы "Кристалл", специализированной на исследовании ротамеров боковых ОН-групп, внутри- и межмолекулярних водородных связей в кристаллах: сахаридов с заданной упаковкой. Предложена унифицированная система отсчета торсионных углов (см.рис.X), определяющих пространственную ориентацию боковых групп в альдопира-нозах, их производных и полисахаридах на их основе. В этой системе пространственное расположение привесков описывается в термина^' транс- и гош-ротамеров. Нулевым значениям углов ^¡р отвечает антипараллельное или транс-расположение связей СН и ОН, а углов и 4*6 ~ антипараллельное расположение связей С-5 - Н-5 и С-6 - 0-6, С-5 - С-6 и 0-6-Н, При вычислении координат атомов в молекулах использовались усредненные длины валентных связей по данным кристаллографического анализа и микроволновой спектроскопии ( ¿■сс=0,1б4, ¿со= 0,143, I сн=0,103, I 0^=0,1 нм). Геометрия моносахаридов описана посредством независимых валентных и торсионных углов пиранозного цикла и боковых привесков. В полисахаридах варьировались торсионные углы

11 ^2» ответственные за пространственную ориентацию остатков, т.е. форму цегш, а также торсионные и валентные углы боковых групп (си. рис.2). Расчет молекулярно-кристаллической структуры моносахаридов проведен на основа известных значений координат атомов С и 0, лрл этом с целью резкого сокращения времени вычислений'учитывались линь взаимодействия групп ОН с ограниченным числом атомов в пределах зон:.-: ощутимого действия невалоятных потенциалов. При поиска водородных

связей в кристаллах принимаг зсь во внимание, что последние образуются при определенных взаимных ориентация* орбиталей неподеленных пар электронов атома кислорода-акцептора и направления прямой, соединяющей потенциальные акцептор и донор. Минимизация потенциальной функции осуществлялась при варьировании углов 6окоеых привесков по методу ДаЕВДона-Флетчера-Повелла.

Во втором разделе описаны приемы анализа углеводов спектроскопическими методами, программы обработки экспериментальных данных, демонстрируется ряд устройств и приспособлений. Изложены способы регистрации Ш-спектров углеводов в водных растворах в широком диапазоне концентраций с помощью кювет специальной конструкции. Даны рекомендации по уменьшению светорассеяния волокнами полисахаридов в ИК-области спектра. Для проведения комплексных испытаний полисахаридов разработана универсальная приставка к ИК-спектромет-рам "для температурных и поляризационных измерений, съемки спектров в вакууме, режиме дейтерообмена, ориентирования образцов. Представлена установка к ИК-спектрометрам для исследования адсорбции молекул воды полисахаридными пленками, конструкционной особенностью которой являются кюветы, пропускающие ИК-излучение.

Показана автоматическая система записи, обработки и аккумуляции сигналов ЯМР на магнитную ленту, которая повышает чувствительность линейных спектрометров, что резко расширяет возможности применения метода ЯМР в промышленных аналитических лабораториях. Система может быть эффективно использована в сочетании с другими спектроскопическими методами при условии, что сигналы соответствующих спектрометров носят характер КЕачистадионарных. В этом же разделе излагаются оптимальные приемы машинного анализа по спектру ЯМР 13С ("МА(Я№1П) на ЭВМ типа "АСПЕКТ" сложных многокомпонентных смесей природных соединений, включающих углеводы. Процедура применима для опенки доли анокеров и конформеров в равновесных смесях.

Раскрываются возможности системы автоматизированной обработки любых экспериментальных контуров на ЭВМ типа "АСПЕКТ", в частности, ИК-, КР- и ЯМР-спектров. При формировании автоматизированной системы особое внимание уделено разработке приемов ввода численных массивов информации в память ЭВМ, ориентированных на обслуживание приборов разных поколений. Реализован ввод как цифрового, так и любого аналогового или квазианалогового сигнала в режимах оптимизации шага дискретизации, Фильтрации помех, аккумуляции полезного сигнала. Процедуру'разложения сложных контуров перекрывающихся по-

лос (или линий) на составляющие компоненты осуществляет программа "R0BAND". Системы "MAGWEI" и "R0BAHD" включены в библиотеку программ "ABACUS".

ГЛАВА 3. НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КОНФОРЫАЦИИ Г>-АЛ1Д0ПИРАН03.

В первом разделе главы представлены результаты расчета информационных энтальпий, энтропнй и свободных энергий of- и fi-ано-меров D-глюкопиранозы и 3-маннопиранозы - родоначальников важнейших полисахаридов, Минимизацией потенциальных функций молекул найдены оптимальные геометрии устойчивых конформеров. Наблюдалось хорошее согласие результатов предсказания с дифракционными данными, что свидетельствует о решающем влиянии внутримолекулярных взаимодействий на геометрию молекул. Электростатика повышает устойчивость ос-формы Э-глюкопиранозы, т.е. взаимодействия электростатической природы во многом ответственны за аномерный эффект - стремление ОН-группы у C-I занять аксиальпое положение. Результаты теоретической оценки устойчивости аномеров D-глюкопиранозы полностью согласуются с экспериментом (см. табл.1). Нет необходимости вводить в расчет произвольный эмпирический инкремент, характеризующий аномерный эффект, последний следует из расчета автоматически. Определенный еклэд в устойчивость аномеров D-глюкопиранозы вносит разность конформационных знтропий смешения. Внутримолекулярные В-связи не сказываются на дифференциации конформационных состояний аномерных форм и величине барьера конверсии цикла ^С^ üt^C^. Модель ААПФ с удовлетворительной точностью передает экспериментальное значение барьера.

Таблица I

Разности конформационных энтальпий, знтропий и свободных энергий ос- и J3-аномеров Б-глюкопиранозы в кДя/моль Э//

дНСМ ot-f т s см of-/, рсм * «Í-/S

2,13 0,63 - 0,88 - 1,05 3,01 Л/ 1,67 tí/

а//Нижняя строка - результаты расчета с учетом электростатики Й/Ри £эф = 4'

'По экспериментальным данным дГ = 1,46 кДж/молъ.

С точки зрения взаимодействия Еалентно несвязанных атомов устойчивость обоих аномеров лз-манноциранозы соизмерима, электро-

Таблица 2

Конфигурация Л-альдопираноз и запреты на торсионные углы боковых групп(при отсутствии внутримолекулярных водородных связей)

Расположение боковых групп Запрет

А1 А3 _ А4 + й/ Е4 - Е^)*/ А4 - Е5(Т5) А5 Е4 - А5«ф % Т3 Т2» Т4 Т5 Т5- V С5_&6

скобках указаны ротамеры группы С^ОН

статическое отталкивание слабее в консЬормерах ос-формн. Таким образом в случае Л)-маннопиранозы более предпочтителен ^¿-ано-мер, что находит подтверждение в экспериментах ЯМР.

Во втором разделе обсуждаются результаты расчета конформа-ций молекул 3>-альдогексспираноз и >-альдопентопираноз в рамках модели ААПФ. Особое внимание уделено анализу ротамеров, возникающих при заторможенном внутреннем Еращении боковых привесков,' геометрия которых определяет широкий спектр внутри- и межмолекулярных взаимодействий и, как следствие, свойства К-альдо-пираноз. Установлена связь конфигурации Х> -альдопираноз с перегруженными конформационными состояниями молекул. Результаты расчета устойчивых конформаций О-альдопираноз адекватны известным структурно-аналитическим данным. Форма предпочтительна для ог'_ и ^-аномеров Д)-глюкозы, Л-ыаннозы, Л>-галактозы, Ц)-ал-лозы, 3-гулоэы, 3>-талозы и Л)-ксилозы при любых пространственных расположениях боковых групп. В случае сс-аномеров Л)-альт-розы и Э-вдозы, обоих аномеров Р-рибозы и 3)-ликсозы, а также р -аномера Д)-арабинозы с равной вероятностью могут реализоваться две креслообразные Формы пиранозного кольца - и С4. £ -Лномеры 3)-альтрозы и Л)-идозы характеризуются конформацией цикл?.. а ос-аномер Э-арабинозы - конформацией ^С4. Общие закономерности, связывающие "запрещенные" состояния боковых групп пиранозного цикла с конфигурацией асимметрических центров 1)-альдопираноз, сформулированы в Еиде семи правил (см.табл.2, рис.3), которыми можно руководствоваться при оценке величин ано-

G-д - G-g (беесе)

T5 (eegea)

(еебба)

G 5

ißВЕБА)

.Рис. 3. Запрещенные ротационные состояния в ЗЗ-альдопзранозидэх

мерного эффекта, устойчивости креслообразных форм пиранозного цикла, исследовании внутримолекулярных водородных связей. Наблюдается корреляция устойчивости форм ^Cj и цикла с числом разрешенных конформеров боковых груш. Предсказанные запреты подтверждены данными дифракционных методов и ЯМР-спектроскопии.

Содержание третьего раздела составляет общий анализ внутримолекулярных Н-свяэей в ос- и ^0-аномерах D-алъдогексопираноз с креслообразпой формой цикла. В этих соединениях могут реализоваться сравнительно слабые внутримолекулярные Н-связи, которые по величине энергии размещаются в следующий ряд:

шас - > u(a4 - е5(т5), е4 - а5(ф . е4 - е5(с|)) >

>U(Aj-Ei+r. E;-Ai+I)- V(B^-Bj+I).

Наблюдается тот же порядок в расположении частот Еалентных колебаний" О(ОН) в зависимости от типа внутримолекулярных Н-связей, что подтверждает существующую концепцию в отнесении полос поглощения в области валентных колебаний ОН-групп. Существенное влияние на равновесие креслообразных Форм ^Cj и л-альдопираноз в растворе могут оказать ллсь Н-сеязи типа А;. - А^. ГЛАВА 4. НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КСНФОИЛАЦИИ Э-АЛЩМИРАНО-ЗИДОВ.

Раздел 4Л.Моно~. да- и три-О-метил-or, j,-j)-глюкопиранозиды -простейшие модельные объекты, на которых можно проследить основные пространственные эффекты и закономерности, связанные с замещением атомов водорода ОН-групп на глюкопиранозные остатки при построении макромолекул D-глюканов. Методом ААСТ исследованы конформационные состояния моно-, ди-, три-О-Ме-ос,^-D-глюкопиранозидоЕ при любых возможных способах замещения. Независимо от способа замещения, числа ОМе-групп при любых возмсглнх пространстЕенных ориентациях боковых привесков энергии предпочтител nix конформеров с ^С^-фор-мой цикла превышают более, чем на 8 кДж/моль энергии конформеров с формой цикла ^Cj. В оптимальных конформациях ос- и ^Д-форм 1,2-ди-0-Me-D -глюкопиранозида (соседнее расположение привесков) отклонения торсионных и валентных углов цикла от соответствующих величин в молекуле незамещенной D-глюкопиранозы не превышают 3°. Двугранные углы находятся в пределах 51-64°, что сопоставимо с величинами для идеализированной формы цикла (56-62°). BoJiee напряжены валентные углы с локализованными в вершинах ОМе-группами. Из расчета молекул моно-О-Ме-1)-глюкопиранозидов аномерный эффект следует

автоматически. Из анализа множества конформационных состояний ггредсказаны типы запретов, число разрешенных состояний для moho-, да- и три-О-Ме- °с,^з-Л>-глюкопиранозидов. Закономерности по связи ротационных состояний 6окоеых групп с их числом, местом присоединения позволяют прогнозировать информационные структуры Э-глю-канов. Разрешенным областям на картах ос- и ^-.О-глюканов соответствуют предпочтительные информационные состояния модельных объектов.

Во втором разделе дан анализ конформационных состояний семейства П-О-Ме- <*, /-D-альдогексопиранозидов (Я=моно-, да-, три-, тетра- и пента-). Геометрические параметры соединений находили минимизацией соответствующих потенциальных функций по 25 варьируемым параметрам. Результаты расчета наиболее устойчивых конформаций метил- сс, ^-jD-альдогексопиранозидов в полной мере сопоставимы с дифракционными данными. Двугранные углы находятся в пределах 51-65°, т.е. имеет место незначительное отклонение от идеализированной формы цикла. Небольшое искажение цикла полностью нивелирует взаимодействия 1,3-, равно как 2,4-синаксиалышх групп. По анергии напряжения форма цикла 4Cj доминирует в ОМе-производних D-глюко-, J>-манно-, D-галакто-, £-алло-, Э-гуло-, Л)~талопиранозы при любых пространственных расположениях привесков. В производных Э-алътро-пиранозы обе креслообразше формы цикла близки по устойчивости, а в ос*- Л)-идопиранозвдах выигрышнее конформация цикла ^С^. Эги заклж>-чения полностью соответствуют Еыводам других авторов.

Наиболее сильные искажения пиранозннх циклов были фиксированы в соединениях с сс-окисними циклами. КонформацаошшН анализ молекулы 2,3-ангидро-оС-метил-ЛЭ-манно1шранозида свидетельствует о возможности образования двух быстро конвертирующих мевду собой структур с уплощенными пиранозными циклами. Константа спин-спинового взаимодействия протонов H-I и Н-2 в этом соединении также указывает на низкий барьер ингерконверсии между установленными структура?,и.

Путем обобщения результатов конформационного анализа множества соединений были найдены ротационные запреты в молекулах семейства П.-0-метил--j)-альдогексопиранозидов, выявлена их связь с хиральностью молекулы, местом присоединения, числом метоксигрупп, водородным связыванием (см.рис.3). Ниже представлена формула числа

разрешенных ротационных состояний Мр как в молекулах -Э-альдопи-раноз, так и их многочисленных О-метильных производных:

VC(t(a6Vn6,5)a4-u5,4(a6- í')-n6,5,4^e3-n4,3b)a2-n4,2b(a3-n4,3)-»-,->

I

Ь

i-г-»

и с

i-,-1

и d

"ПЭ, 2°1 еГпЗ, 1с (a2_n4,2~п3,2 > "п2,1 d-n6,5,1 а4вЗ~П4,3] a2~n3, 2В41' где а - число разрешенных состояний торсионного угла Y>¿_; ri¿ • -число парных запретов с углами ^ » ^ » сшвол запрета (У = I, если запрет связан с другим общим торсионным углом с одним значением; i"=0, если запрет независим); IX¿ - число тройных независимых запретов с углами <P¿, vfy, Фк (L =1,.. - ,6; j =1,...,5; к =1,.. ..,4; L >k). Предсказанные ротационные состояния С'Ме-производ-ных л-альдопираноз подтверждаются результатами измерений оптического вращения, ЯМР, дифракционного эксперимента. Диагноз возможных информационных состояний 3)-гликанов в рамках правил запретов полностью согласуется с данными полуэмпирических расчетов карт информационной энергии.

В этом же разделе дается прогноз внутримолекулярных водородных связей в частично замещенных Э-альдопиранозидах между атомами водорода ОН-групп с одной стороны и атомами кислорода групп ОН и OCHg с другой. Анализ составляющей информационной энергии, обусловленной водородным связыванием, показал, что типы внутримолекулярных водородных связей в молекулах moho-, да-,'три- и тетра-ОМе-Э-альдогексопиранозидов и незамещенных К-альдопираноз аналогичны, причем соответствующие типы связей близки по величине энергии. Известный порядок в расположении частот валентных колебаний групп ОН, ассоциированных определенными типами внутримолекулярных водородных связей, в полной мере применим и для интерпретации спектров частично метилированных производных 3)-альдопираноз.

В-Третьем разделе исходя из правил запрета на ротационные состояния боковых групп в D-альдопиранозах и их ОМе-производных представлены результаты предсказания информационных энтропий молекул моносахаридов. Подавляющая часть разрешенных конформеров •( N ) в молекулах Д)-альдопираноз и их ОМе-производных имеет из-

биток энергии менее 4 кДж/моль, отсюда, считая их равновероятными, можно с удовлетворительной точностью оценить энтрошт смешения по формуле 3= ДбаНр . Из-за адекватного запрета на торсионный угол <^=1 в углеводах с аксиалышм расположением ОН-группы у С-1, разность конформационннх знтроиий между ос- и £-аяомерами Д)-альдо-пираноз независимо от их конфигурации характеризуется одним значением. Та же величина разности энтропий смешения будет и в случае аномеров да-, олиго- и полисахаридов, т.е. а =ДЗ°ЛИГ0=...«=дЗпо-ш. Значение д5„ _ для И-глюкопиранозы и

£ -о? р-К

маннопиранозы по результатам расчета энтрогшй смешения, выраженных через вероятности отдельных конформеров, совпадает с предсказанным исходя из правил запрета. Присутствие акс 1альных групп у С-3 или одновременно у С-2 и С-4 приводит к дальнейшему снижению энтропии. Энтропийные "поправки" существенны при оценке устойчивости конфор-маций кресла в соединениях с син-аксиальннми группами. Посредством автоматической системы аккумуляции сигналов ЯМР на магнитную ленту получены спектры ЯМР % растворов декстраяов разной ММ в даСОтГ^. В соответствии с высказанной концепцией фиксировано, что аномерный состав декстранов не зависит от ММ и практически совпадает с таковым для генцибиозы. По аномерному составу 1)-альдопираноз удается идентифицировать углеводы в многокомпонентных смесях бяоорганических соединений, в частности, в гидролизатах органов п тканей} используемых в качестве лекарственных средств.

Четвертый раздел посвящен селективной _^-аномеризации аглико-на в производных Д)-гексозаминов. При трактовке аномерного эффекта в углеводах основное внимание концентрировалось на влиянии электронных свойств, пространственного расположения заместителя у С-1; характер и свойства заместителя у С-2 к объяснению происхождения аномерного эффекта е углееодах и их производных не привлекались. Особый интерес представляют 2-амино-2-дезокаи-1>-альдопира!103Ы, на основе которых легко осуществить синтез производных пираяоз, содержащих различные заместители в непосредственной близости от агликона. Нами синтезированы и исследованы методом ЯМ? основания Шиффа 1>-глюко- и и-галактозамина, а также их производные. Образование оснований Шиффа сопровождается ^З-ан ом ери задней агликона, т.е. устраняет аномерный эффект. Методом ААПФ были рассчитаны энтальпии, энтропии и свободные энергии равновесных смесей конформеров молекул ос- и / -аномеров основания Шиффа Л)-глюкозамина с бензальдегидом, а также модельного аналога - ионной формы остатка

2-ал«шо-2-дезокси- .Ю-глюкопкранозы. Разность свободных энергий между ог- и £ -аномерами основания Шиффа Л) -глюкозамина свидетельствует, что присутствие заместителя у С-2 не связано с исключительной устойчивостью р-формы. Расчет модельного аналога показал, что отрицательный заряд на атоме азота существенным образом стабилизирует ^-конфигурацию аномерного центра (Р,. - 6 кДж/ моль). Посредством спектроскопического эксперимента, используя результаты теоретического предсказания раскрыт механизм реакции конденсации Э-гексозаминов с альдегидами. Явленке селективной ^-аномеризацил было использовано для синтеза р -аномеров производных к-гексозачянов с конформацией цикла 4С^.

В пятом разделе представлены результаты анализа моносахаридов в водных растворах и растворах в СС£4 методом ИК-спектроско-шш. Установлены различия в характере связывания ОН-групп с молекулами воды (донорно-акцепторные, чисто донорные межмолекулярные Н-связи), фиксированы высокие ротационные возможности групп С^ОН в лэ-альдогексопиранозах в соответствии с оценками метода ААПФ. ГЛАВА 5. НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КОНФОРМАЦИОННЫЕ СОСТОЯНИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ.

В первом разделе обсуждаются перспективы предсказания конфор-мационных антропий полисахаридов разного строения (линейные, разветвленные, смешанные, частично замещенные) на базисе консЬормаци-онного анализа модельных объектов. Полагая ротационные состояния соседних звеньев в полисахаридной цепи независимыми, а ротационные запреты в мономерных звеньях Л)-гликанов и соответствующих ОМе-производных Э-альдопираноз адекьчтными, можно предсказать число конформеров в линейных и разветвленных полисахаридах, а также е их метилированных произгодных. Так, в случае линейных гомо-полисахаридов При исключении эг^екта концевых остатков N = , тогда энтропия смешения где а- число звеньев е цепи,

I -£- - тип гликозиднь'х связей, ^ - число разрешенных конформе-роЕ молекулы I, ¡.-ди-О-Ме- ^-Е-альдопиранозида. С увеличением молекулярной массы линейного гликана прирост энтропии смешения в определенной степени раркомерно компенсирует прирост энтальпии из-за отталкивания валентно несвязанных атомов соседних звеньев цепи. Из-за Т-запрета в случае аксиальных гликозидных связей при одной и той же степени полимеризации <=с-гликани будут проигрывать е энтропии /-гликанам. В ряду 1>-глюканов конфорнационные возможности выше е случае полисахаридов с 1-2 и 1-6-глюкозидннми связями.

Представлены формулы для вычисления конформациошшх энтропий макромолекул гетерополисахаридов, разветвленных и замещенных полисахаридов (сведения о типе, характере, степени разветвления, степени замещения и распределении боковых заместителей дает метод ЯМР "О. Рассчитаны значения энтропий макромолекул целлюлозы, амилозы, их метильных производных. С точки зрения энтропии смешения замещение одной ОН-группы в целлюлозе будет раЕНоверояткым событием независимо от ее положения в кольце. Замещение двух 0Н-групп менее предпочтительно по С-2 и С-3. Дан анализ конформациошшх возможностей макромолекул декстрана с разветвлениями типа 1-2 и 1-4, а также крахмала-1,6 в зависимости от степени разветвления. В макромолекуле декстрана-1,4 имеет место ограничение информационной свободы при увеличении степени разветвления. Ограничение информационной свободы цепи декстрана-1,2 в местах стыка компенсируется возрастанием числа конформеров ¿.-концевых глюко-пиранозных остатков, а в случае крахмала-1,6 последний эффект даже преобладает. Вычислено отношение числа звеньев в макромолекуле крахмала (п-к) к числу ЗЕеньев в макромолекуле декстрана-1,4 которому отвечают одинаковые значения информационной энтропии этих полисахаридов ("-j/^ = i,06). Зная степень разветвления (р), доли moho-, ди- и тризамещенных звеньев из), моно- и диза-

мещенных ЗЕеньев с разветвлениями (а и W, moho-, да-, три- ите-тразамещенных I-концевых звеньев (t, у,% и w), можно рассчитать число разрешенных конформациошшх состояний (и энтропию) для обобщенного случая - частично замещенного разветвленного полисахарида:

Во втором разделе представлены результаты расчета возможных информационных состояний макромолекулы целлюлозы, а также сведения о поляризации валентных колебаний групп ОН, СН, СО и СНд в наиболее устойчивых пространственных формах цепи. Для установления предпочтительных форм цепи целлюлозы построена конформа-

И'

£

,n.p(1-t-y-z-\v)

. П1{п.р-у . „П'.р-Z .„n.p.iv

- Я) -

{50 170 {30 ¿70 230 ¿50 ¿70

Рис. 4. Конформационная карта димерного фрагмента макромолекулы целлюлозы с оптимизацией по торсионным углам "У2 • Прерывистые линии - кривые постоянных значений £=0,515 и 0,52 нм

ционная карга димерного фрагмента цепи в функции углов и ^ с учетом водородного связывания (см.рис.4 ) и при оптимизации расположений боковых привесков. Наиболее устойчивой Нормой является информация цепи с ^-£=-210° 11 ^г5"-^00* Внутримол е кулярнке водородные связи значительно ограничивают информационную свободу цепи целлюлозы, стабилизируют отдельные Формы. КоМюрмация цепи, присущая кристаллической целлюлозе, с параметрами спирали го=2 и $,=0,515 нм лежит вблизи глобального минимума потенциальной Функции, Й' области устойчивых значений торсионных углов и йоко_ вые привески могут располагаться разнообразными способами, при этом реализуются водородные связи разных типов. "Кристаллической" информации целлюлозы отвечает наиболее богатый, ротационный набор. Минимизация потенциальной Функции димерного фрагмента целлюлозы,

анализ ротамерон групп ОН и CHgOH указывает на большую вероятность образования двух внутримолекулярных Н-связей fr-3-H.'.. 0-5 и O-2-fl., ..0-6. Протоны групп 0-6-Н могут одновременно участвовать в межмолекулярных связях, что отвечает рентгеноструктупннм моделям.

Для кояФормеров целлюлозы с углами М7! и в окрестностях глобального минимума потенциальной функции и параметрами спиралей, близкими R=2 и &=0,515 юл, вычислены углы ориентации 0 и предсказаны поляризации ИК-полос валентных колебаний групп СН, СО, ОН и CHg для предпочтительных рогамеров боковых привесков (см.табл.3). Углы ориентации векторов моментов перехода при валентных колебаниях групп С-Н и С-О для конформера = -СТО0, = -150° и кристаллической конформации цепи целлюлозы I совпадают. В поляризационных ИК-спектрах ориентированных образцов целлюлозы независимо от укладки молекулярных цепей следует ожидать сильный перпендикулярный дихроизм полос $(С-Н). Особое внимание уделено дахро-изму полос поглощения ОН-гругш, во многом ответственных за уни- , кальные Физико-химические свойства целлюлозы; эти сведения необходимы для интерпретации сложной мулътиплетной полосы >* (ОН) в ИК-спектрах ориентированных образцов. В поляризационных спектрах целлюлозы I наблюдается как параллельный, так и перпендикулярный дихроизм полос !>(0Н), что соответствует расположению ОН-групп вдоль и поперек цепи полисахарида. Группы ОН, включенные во внутримолекулярные Н-сеязи, характеризуются параллельной поляризацией колебаний i)(OH). Из возможных типов Н-сЕязей наиболее прочной отвечает взаимодействие гидроксила 0-3-Н с атомом кислорода цикла со- . седнего зЕена. К колебаниям групп ОН, ассоциированных Н-связямл данного типа, можно отнести параллельную полосу при 3350 см~*. Любая ОН-группа целлюлозы в предпочтительной конформации остова цепи может быть участником межмолекулярной Н-связи при значении угля f = t, что исключает внутримолекулярное Н-связнвание.

В третьем разделе излагается материал по теоретическому и экспериментальному изучению негалентных взаимод^лст^лй и конформа-ций е нитратах целлюлозы, широко используемых в современной технике. Актуальную научно-техническую задачу представляет исследование влияния конформационных сеойств, внутри- и межмолекулярных взаимодействий на формирование пространственных.структур полисахарида. Конформации тршштрата целлюлозы (ТНЦ) с экваторралыгам расположением заместителей выгодны при любых пространственных ори-ентациях боковых групп. Фактором малой устойчивости структур с

Таблица 3

Углы ориентации (в град) и ожидаемая поляризация валентных колебаний групп СН и СО макромолекуля целлюлозы

Конформация цепи

Группа

^=-190° ^=-210° Ч/1=-230° ^2=-130° 1р2=-150° ф-2=_170°

Целлюлоза I а/

1-С-Н(1-С-Н)

2-С-Н(2-С-Н)

3-С-Н(З-С^-Н)

4-С-Ш4-С4!)

5-С-М5-С-Н)

2-С-0-2(2-С

3-С-О-З(З-СЖЗ)

80 (881) 80 (891) 82 (891) 75 (841) 75 (841) 68 (771) 47 (4511)

84 (8310

85 (841)

86 (851) 80 (791} 80 (791) 73 (721) 45 (4411)

88 (791.) 88 (791) 90 (801) 83 (731) 83 (731) 77 (641) 45 (49||)

84 (841)

87 (871)

88 (881) 80 (80.0 84 (841) 72 (731) 48 (4811)

Ц(4-0...(£1),нм 1,034 1,039

1,038

1,034

а/

Расчет по данным рентгеноструктурного анализа.

формой цикла С^ является отталкивание атомов остова глюкопира-Бозного остатка, отсюда форма цикла предпочтительна для всего семейства производных целлюлозы. На Т£ -картах ТНЦ присутствуют две области низких значений энергии - М и ^, Конформационная подвижность мономерных единиц ограничена, что является причиной сравнительно высокой жесткости макромолекул ТНЦ в растворе. Кон-формационный переход МзИ требует достаточно высоких затрат энергии. Конформации ТНЦ с предельно вытянутой формой цепи (типа Мее-ра-Йиша) запрещены. Результаты исследования конформаций пиранозных циклов в октанитрате ^-целлобиозы и ТНЦ методом ЯМР % указывают на форму (Л)).

Оценены значения торсионных углов, набором которых могут быть описаны ротационные состояния нитратных групп. Их положение (отклонение от идеальных гош-ориентаций) диктуется взаимодействиями локального характера. Сильное взаимодействие нитратных групп разных мономерных звеньев, взаимозависимость их пространственного расположения, значительные барьеры информационных переходов классифицируют цепь ТНЦ как связанную кооперативную систему. Кон-формационный полиморфизм затрудняет образование стереорегудярннх форм. При синтезе ТНЦ.в гетерогенной среде образуются метастабиль-нке структуры с избыточной энергией, что подтверждается данными

ИК-спектроскопии.

Результаты конфоргационного анализа ТНЦ легли в основу интерпретации ряда спектроскопических данных. Фиксировано стериче-ское влияние нитратных групп на частоты и интенсивности Еалентных колебаний групп СН и С!^, что послужило основой удобных аналитических приемов оценки степени этерификеции НЦ. Методом ЯМР *3С изучены структурные особенности Щ разных степеней замещения, ок-таяитратов ос- и ^-целлобиозы, родственных веществ - нитратов хитозана и декстрана. Особенности химического строения этих сое-г динений, сходство элементов информационных структур позволили дать полную интерпретацию спектров ЯМР. Установлена адекватность Форм пиранозных циклов в ТНЦ и его модельных аналогах. Данные ЯМР подтверждают результаты теоретического предсказания о предпочтительности формы Особое внимание было уделено анализу спектров ЯМР 13С частично замещенных НЦ. Базируясь на результатах теоретического анализа, выделены эффекты влияния нитратных групп (их числа, положения) на величину химсдвига ядер С-1, что нашло использование для оценки химической неоднородности НЦ.

Спектроскопические признаки глубины взаимодействия молекул вода с НЦ могут служить критерием оценки их физической и химической неоднородности. Равновесное значение адсорбата на поверхности полимера определяется степенью замещения НЦ, распределением ОА^-групп, морфологической структурой. Методом ИК-спектроскопии изучено влияние кислотного гидролиза, механического помола, степени замещения НЦ на доступность непроэтерифицироваяных ОН-групп для дейтерообмеяа сФиксированы типы водородных СЕязей в НЦ.

Четвертый раздел освещает невалентные взаимодействия и информации триацетата целлюлозы (ТАЦ) по данным метода ААПФ и ЯМР. Ацетатн целлюлозы широко используются в производстве искусственного зюлка, корда, шовного материала, основы кино- и фотопленок. В ТАЦ доминируют исключительно структуры с формой цикла Из анализа карт потенциально? энергии найдены устойчивые значения углов внутреннего вращения групп ОАс и С^ОАс, которые близки по величине к торсионным углам нитратных групп макромолекулы ТНЦ (^ррЩ = . Минимизация потенциальной функции фрагмента цепи ТАЦ с транс- и цис-конфигурацией ацетильных групп практически исключает возможность реализации пс-формы. Данные ЯГ.СР % подтверждают результаты предсказания. Оптимальные информации остова цепи ТАЦ формируются наборами углов областей М и.М на

Предложено соотношение для вычисления энергий напряжения полного набора конформеров ТАЦ, зная энергии ограниченного континиума. Оптимальные конформеры ТАЦ характеризуются довольно вытянутыми формами с проекцией мономерного звена на ось макромолекулы ~0,51 нм, что согласуется с данными ИК-спектроскопических измерений ориентированных образцов ТАЦ в поляризованном излучении. Электростатика в ТАЦ заметно влияет на иерархию конформеров, различающихся пространственной ориентацией боковых привесков. В слабополярных растворителях вследствие электростатического отталкивания увеличится жесткость цепей.

Пятый раздел посвящен исследованию водорастворимых ди- и полисахаридов (целлобиоза, мальтоза, крахмал, пуллулан, декстран, ламинария, гепарин) методом ИК-спектроскопии водных сред. Неэквивалентность колебаний групп СНОН в спектрах исследованных соединений вызвана структурной организацией и характером взаимодействия ОН-групп со средой при доминирующей роли водородного связывания. Степень гидратируемости ОН-групп полисахаридов отождествлена с типом взаимодействия: донорно-акцепторным или только донорным. Для оценки гидрофильных свойств полисахаридов (при поиске плазмо-вкспаядеров) рекомендовано использовать в аналитических целях полосу при 1430 см-*. По данным ИК-спектроскопии ротационные возмон-ности мостичных групп СН2 в полисахаридной цепи (декстран) более ограничены, нежели группировок CHgOH.

Методом ИК-спектроскопии измерена степень ионизации С00Н-групп гепарина (природного антикоагулянта крош) в функции концентрации, pD , ионной силы раствора, природы противоиона. Ионизация СООН-групп гепарина дает слабый вклад в электростатическую энергию отталкиЕания. Цатионсвязывающие свойства гепарина отражают конкурентный характер ассоциации гидратированных катионов группами С00~ и iOg , Связывание ионов Mtj2+, Са2+, и Си.2"!" определяется

прежде всего взаимодействием последних с группами С00~. По данным •ИК-, ЯМР-спектроскошш, теоретического информационного анализа предполагается сосуществование двух креслообразных форм идуроно-вых циклов, соотношение которых из-за малой разности энергий есть функция взаимодействия дивалентных катионов с группами С00~ гепарина (этому обстоятельству во многом обязаны его уникальные свойства как антикоагулянта крови). Измерены параметры полос j)os(COO~) и j)(C=0) в спектрах растворов гепаринатов моно- и дивалентных металлов в -DgO. Заряд, масса противоиона, ионная сила,

концентрация раствора практически не влияют на форму, интегральную интенсивность этих полос, что позволило решить ряд структурно-аналитических задач: концентрационные измерения, определение доли остатков гексуроновых кислот и т.д.

Шестой раздел посЕящен исследованию влияния режимов обработки целлюлозного волокна на вероятности прямого и обратного полиморфного перехода Ц I с* Ц П. Трансформацию Ц П -*• Ц I осущестЕЛяли путем нейтрализации щелочи раствором НС£ в среде мочевины или НаСС., а также вытеснением щелочи раствором МаС£. (или мочевины) с последующим удалением реагентов водой. Независимо от приемов обработки методами ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа не удалось Фиксировать полиморф Ц I, т.е. полиморф Ц П предпочтительнее с энергетической точки зрения. На отбор кристаллических структур кинетический фактор влияния не оказывает. ГЛАВА 6. НЕВАЛЕНТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И КОНФОРМАЦИИ УГЛЕВОДОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ.

Водородные связи играют существенную роль г формировании • структур углеводов, концепция водородного связывания дает ключ к пониманию механизма их функционирования. Несмотря на уникальную природу водородного СЕязывания, его йажноцть в регулировании физико-химических и биологических функций, знания о водородных связях в углеводах весьма ограничены. Присутствие нескольких ОН-групп в молекулах углеводов обусловливает ряд потенциально возможных схем водородного связывания. Геометрию водородных связей в молекулярном кристалле, как правило, устанавливают дифракционными ме- . тодами. При этом рентгеноструктурннй анализ, с помощью которого к настоящему времени выполнено большинство исследований кристаллов углегодов, фиксирует пространственные положе/жя атомов водорода недостаточно определенно. В ряде случаев это приводило к некорректным Еыводам о геометрии водородных связей.

Первый раздел шестой главы посвящен исследованию ротационных состояний ОН-групп и водородных связей в кристаллах углеводов методом ААПФ. С помощью программы "Кристалл" рассчитаны ротационные состояния ОН-групп, геометрические и энергетические параметры водородных связей в кристаллах ос-Л) -глюкопиранозн, / -13-глюкопирая озк, ос-Б-галактопираяозн, ^-2>-галактопиранозы, метил-оС-Б-альтропиранозида, метил-^-в-галактопиранозида. Все ОЦ-группн даннкх углеводов участвуют в водородном связывании. Для оценки

предсказательно! способности методики расчета энергии внутри- и межмолекулярных взаимодействий в качестве тестовых соединений с известной геометрией водородных связей использованы о^-ЗЭ-гллко-пираноза и метил-рС-Хь-алыропиранозид, молекулярно-кристаляиче-ские структуры которых оценены количественно методом дифракции нейтронов. Из анализа потенциальной функции кристалла от- 3)-глю-копиранозы следует структура с пятью межмолекулярнкми водородными связями, которая по геометрическим параметрам предельно близка к установленной в эксперименте. Кристаллические структуры с иным расположением ОН-групп нереальны, их энергии превосходят энергию оптимальной структуры более, чем на 80 кДж/моль. Расчетные и дифракционные данные указывают на отсутствие внутримолекулярных Еодородных связей. Характерно, что атом кислорода 0-1 не участвует в образовании водородной связи. Аномерная группа НО-1 обладает больше свойствами донора, нежели акцептора. Значения углов вращения ОН-групп в кристалле не отвечают ориентациям, характерным для изолированной молекулы. За пространственное полегание групп ОН в кристалле сс-З) -глюкопиранозы ответственны межмолекулярные взаимодействия и, прежде всего, межмолекулярные водородные связи. В кристалле данного углевода реализуются дае довольно сильные водородные связи, дае менее прочные и одна средняя по энергии. Суммарная энергия водородных связей составляет ~ 70% от потенциальной энергии кристаллической решетки оС -£>-глюкопиранозы.

Система водородного связывания в метил-сс-Лэ-альтропиранози-де,. установленная теоретическим анализом предпочтительных ориен-тадий ОН-групп в кристаллической ячейке моносахарида, адегаатна экспериментальной. Кристаллическая структура моносахарида характеризуется. ширцким спектром водородного связывания; реализуются пять.межмолекуляряых и одна внутримолекулярная связи. В водородном связывании.не участвует атом 0-2. Наиболее прочную молекулярную сея* ^ образует группа НО-4 с атомом кислорода 0-6, наименее -■труппа НО-3 с атомом кислорода 0-5. Указанные иллюстрации дают свидетельство высокой предсказательной способности метода ААПЭ, раскрыЕают возможности этого инструмента для получения надежной информации о пространственной ориентации групп ОН, системах водородных связей, их параметрах в кристаллах Э-альдопираноз и их производных, чья молекулярная структура устанавливалась рентгено-дифракционным экспериментом, но сведения о геометрии водородных

Таблица 4'

Водородные связи и их параметры в кристаллах углеводов

Водородная связь Н-Ь ... О-к Ь, нм -и вс, кДж/моль

>• -X» -Глюкопираноза ■ .

Н-1 ... 0-6 .0,176 14,4

Н-2 ... 0-3 0,180 13,4

Н-3 ... 0^ 0,182 12,9

Н-4 ... 0-2 0,234 2,2

Н—6 ... 0-2 0,174 14,9

ос- -1> -Галакт опирая о э а

Н-1 ... 0-6 0,176 14,5

Н—2 ... 0-3 0,174 14,9

Н-3 ... 0-4 0,196 8,4

Н-4 ... 0-2 0,194 9,0

Н—6 ... 0-2 0,187 11,4

-I) -Галактогшраноза

Н-1 ... 0-6 0,172 Т5,1

Н-2 ... 0-4 0,188 11,0

Н-3. ... 0-1 0,206 6,0

Н-4 .... 0-3 0,191 9,9

Н-6 ... 0-2 0,179 • 14,0

Метил-^в -I) -галактопиранозид

Н-2 ... 0-4 0,180 13,3

Н—3 ... 0-1 0,236 2,1

Н-3 ... 0-4а/ 0,235 2Д

Н-4 ... 0-6 0,179 13,6

Н—б ... 0-2 0,188 10,8

'Внутримолекулярная водородная связь

связей отсутствуют или недостаточно корректны.

Методом рентгеноструктурного анализа решались молекулярно-кристаллические структуры ^з- Э-глюкопиранозы, о£ ^^-галактопира-нозы, р -И -галактопиранозы, метил-^-И-галактопиранозида, однако типы, геометрические параметры водородных связей нельзя считать надежными из-за неточностей локализации атомов водорода, ' вызванных физическими особенностями метода. По результатам .расчета в кристалле р -Б.-глюкопиранозы помимо указанных в эксперименте типов водородных связей возможно образование очень слабой межмолеку-•лярной связи Н0-4...0-2 (см.табл.4).. На рис.5 показана схема упа-

Рис. Б. Упаковка молекул и схема водородных связей в кристалла у, -I-глкжопиранозы • '

ковки молекул ^3-Л)-глкжопиранозы в кристалл с указанием связей, удовлетворяющих' глобальному минимуму потенциальной энергии в функции торсионных углов. Углы внутреннего вращения ОН-групп характеризуются большим отклонением от значений, отвечающих' транс- или гош-ориентациям,' т.е. положение ОН-групп в кристалле углевода диктуется межмолекулярными водородными связями. Атомы кислорода 0-1 и 0-4 в образовании водородных связей не участвуют.

Два независимых исследования упаковки молекул с£-1>-галакто-

•пиранозы в кристалл привели авторов при адекватных позициях атомов .0 ц С к разным системам водородного связывания. Расчет- однозначно отдает предпочтение одной из этих структур, ибо иные образования обладают большим избытком энергии (> 80 кДж/моль). Упаковка молекул <уС-2> -галактопиранозн сопровождается образованием лишь межмолекулярных водородных связей; аномерный атом кислорода в донорно-акцепторноз взаимодействие с протонами других гидроксилов яэ всту-. пает (см.табл.4). Рассчетные торсионные углы соответствуют значениям, характерным для изолированных молекул.

В результате теоретического анализа ротамеров ОН-групп и водородных связей в кристалле р, - Э-галактогшранозы были уточнены геометрические параметры молекул, вычислены энергии водородных связей (см.табл.4). В кристалле углевода реализуются только межмолекулярные водородные связи, атом кислорода аномерной группы участвует в водородном связывании.

Мониторинг положений ОН-групп, водородных связей в кристалле . метил-^-Э-галактопиранозида показал,.что система водородных связей, отвечающая глобальному минимуму потенциальной функции крис- . таллической ячейки, аналогична установленной рентгенодифракцион-ным методом. Расчет указывает на образование четырех межмолекулярных и одной очень слабой внутримолекулярной водородных связей (см. табл.4). Торсионные углы устойчивых ориентаций ОН-групп характеризуются значительными отклонениями от "идеальных" значений.

Гидроксилы исследованных углеводов в кристалле, все без исключения, ассоциированы водородными связями, однако по энергии связывания они резко различаются. Длины некоторых из них лежат вблизи критического расстояния водородного связывания..На ориентацию ОН- . групп, характер упаковки молекул Л) -:альдопираноз кристалле кар-: динальное влияние оказывают межмолекулярные водородные связи. В исследованном ряду соединена и-альдопиранозы образуют в кристалле системы более прочных водородных связей, нежели их О-метильные производные.

Второй раздел освещает результаты статистического анализа геометрических и энергетических параметров 264 симметрически независимых 0-Н...0 водородных связей в кристаллах 65 углеводов (пиранозы, их частично замещенные производные) по данным нейтронографии, рентгенодифракции, теоретического предсказания. Предметом рассмотрения явилось распределение длин 0-Н связей, валентных уг-

лов С-О-Н, длин, углов и энергий собственно водородных связей. Подавляющее число этих соединений 90$) принадлежит к структурным группам Й=4) и (2 =2). В исследованных кристаллических

углеводах с разной вероятностью реализуются двухцентровые донорно-акцелторные (И) и донорные (5В) взаимодействия гидроксил-гидро- ' ксил, двухце!Щ)6вие донорно-акцепторные (2А) и донорные (2В) взаимодействия гидроксил-замещенный гидроксил или ацеталышй'кислород, симметричные трехцентровые (ЗА и ЗВ), асимметричные трехцентровые (4А и 4В) 0-Н...0.взаимодействия. В водородном связывании участвуют практически все протоны 0-Н групп и большинство атомов кислорода, водородные связи дают определяющий вклад в энергию кристаллической решетки. Комбинацией типов 0-Н...О взаимодействий определяется исключительное многообразие'простраягтвешшх структур водородных связей: I - линейных бесконечных цепей, Р - конечных цепей, В - разветвленных цепей, З' - одиночных связей. Взаимодействие 0-Н ...О по типу 1А во многих случаях приводит к образованию линейных .бесконечных водородных связей, последнее является предпосылкой биосинтеза линейных полисахаридов с определенной конфигурацией глико-зидных связей.

Группы ОН в криоталлах гексопираноз проявляют разную тенденцию к доноркому.или акцепторному взаимодействию. Акцепторные свойства падают в ряду 0-2 и 0-6 а 0-3 > 0-4 £0-5 > 0-1. Наиболее слабо акцепторные свойства выражены у атома кислорода 0-1,; который наряду с атомом 0-5 цикла часто слуши обривателем цепи водородных связей. Углеводы сравнительно редко сокристаллизуются с молекулами воды, последние способствуют образованию линейных бесконечных цепей.

По данным нейтронографии и рентгенодифракции построены гистограммы распределений геометрических параметров Ь(0-Н), ос , /->(0... Н),^., а также энбргий (-"Цв0) и средних энергий'(-\/вс) водородных связей в расчете на одну гидроксичьную группу,'Две трети угле- ' тзодов от общего числа имеют в кристалле' длины 0-Н овязей в очень узком'интервале значекий-от 0,096 до 0,098 нм, а. свыше 85$ соединений характеризуются валентным углом С-О-Н в диапазоне 107-111°. Длины водородных связей в исследуемом множестве кристаллических углеводов имеют широкое распределение. Двухцентровые линейные водородные связи являются более короткими, нежели сдвоенные. Имеет место и богатое распределение по углам ч|7 водородного связывания. Бо-

•лее короткая водородная связь обычно является и более линейной. Максимуму распределения углов 9 с коррекцией по геометрическому фактору cos 9 соответствует отклонение водородной связи от линии 0...0 менее, чем на 10°, т.е. линейный характер равновесной водо^-родной связи 0-Н.'..0 не вызывает сомнений.

Многообразный спектр водородных связей в кристаллах углеводов обусловливает широкое распределение их по энергии. Энергетические интервалы для различных типов водородных связей сильно перекрываются. По средней величине энергии линейным водородным связям наиболее уступают трехцентровые. При ассоциации молекул углеводов в кристалл ОН-группы теряют свою индивидуальность; упаковка молекул, характер водородного связывания определяются кооперативными свойствами ансамбля групп при сохранении слабо выраженной тенденции той или иной группы к донорному или акцепторному взаимодействию. Система, типы, параметры водородных связей в углеводах не могут быть статистически достоверно предсказаны исходя лишь из химической структуры соединения.

Несмотря на большое многообразие водородных связей в кристалг-лических углеводах, резкие различия их по энергии, по средней величине энергии, приходящейся на одну ОН-группу, водородные связи варьируют весьма слабо. Среднестатистическое значение энергии водородной связи 0-Н...0, отнесенное к одной группе, составляет ~ II кДж/моль. Приближенно суммарная энергия водородного, связывания в кристаллических образованиях данного класса соединений в расчете на моль моЯет dйть оценена с помощью простого соотношения

VU,. -IL а, где а - число ОН-групп в молекуле. Указанная 7Г вс

формула дает величину, сопоставимую с вкладом в энергию кристаллической решетки, обусловленным водородным связыванием, по уточненным оценкам.

Сокристаллизация с молекулами воды - сравнительно редкое событие в кристаллохимии углеводов. Энергия водородного связывания собственно молекул углеводов, как правило, превышает энергию связывания молекул воды с углеводами. При кристаллизации углеводов молекулы воды выполняют скорее роль кинетического, нежели термодинамического фактора. .

В третьем разделе обсуждается проявление.водородных связей в ИК-спектрах кристаллических углеводов. Представлены корреляции между параметрами связей 0-Н...0 в кристаллических углеводах и

частотами ОН валентных колебаний по результатам расчетов методом ААПФ, а также спектроскопического и дифракционного эксперимента. Предметом анализа были и ^-х>-глюкопиранозы, и^-2)-галак-топиранозы, метил-ос-35-глюкопиранозид, метил-ос-С-маннопиранозид, метил-^ - в-галактопирая озид, метил-^ -Б -ксилогшранозид. В ИК-спектрах указанных кристаллических моносахаридов в области 30003800 см-* при комнатной температуре и температуре жидкого азота набладается большое число полос ¿)(0Н), значительный интервал частот, ив котором проявляются эти полосы, свидетельствуют о богатом наборе энергетически неэквивалентных водородных связей в исследованных соединениях. При низкой температуре полосы поглощения в области 3000-3800 см"* разрешены существенно лучше, наблюдается их низкочастотный сдвиг, причем наибольший сдвиг испытывают длинноволновые полосы О (ОН). Полосы |)(0Н) с большой величиной низкотемпературного длинноволнового сдвига обусловлены колебаниями ОН-групп, ассоциированных наиболее пробными, прежде всего донорно-акцептор-'ными водородными связями. Полагая монотонный сдвиг полос ОН валентных колебаний в низкочастотную область при удлинении валентных связей, построены зависшлости |)(0Н) от Ц(О-Н) и -(см.рис.6). Прерывистой линией на рисунке отмечена зависимость между частотами наиболее длинноволновых полос |)(0Н) и .энергиями соответствующих им водородных связей. Вблизи дна потешдальной кривой водородного связывания корреляция между ¡КОН) и - Ь>"во отсутствует. Подобраны.

параметры, связывающие низкочастотный сдвиг \К0Н) с энергией Н-свя-зей. Расчетные значения ^(ОН) согласуются с экспериментом в случае гидроксилов, участвующих в образовании слабых.Н-связей типов IB, 2В и 2А. Совокупность ОН-групп, объединенных донорно-акцепторными связями, представляет в кристаллических углеводах ассоциаты полимерного типа с трансляционной симметрией, при этом колебания отдельных групп теряют свою индивидуальность. Валентные колебания групп ОН со связями типа IA в ИК-спектрах проявляются'в диапазоне 3100-3400 , см-1. В интервалах частот 3150-3600, 3200-3500 и 3400-3550 см-1 поглощают гидроксилы с Н-связями соответственно типов ÍB, 2А и 2В.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .

1. Изучены невалентные взаимодействия молекул моно- и полисахаридов, найдены их низкоэнергетические информационные состояния в растворе, блоке. Результаты легли в основу обобщений по'геометрии и •энергетике молекул углеводов, структурно-функциональных отношений, • механизмов химических реакций с участием углеводов, систематики• связей 0-Н...0, заключений о роли гнутри- и межмолекулярных взаимодействий в формировании пространственных структур, интерпретации стереохимических эффектов, корреляций'типа "спектр-структура", структурно-аналитического приложения методов ЯМР- и ИК-спектроско-пии. !

2. В концепции модели аддитивных межатомных взаимодействий реализован комплекс программ расчета на ЭВМ энергии невалентных взаимодействий, конформаций молекул моно- и полисахаридов в различных arpe- ■ гатных состояниях на основе согласованной системы потенциальных ' функций. Разработаны, внедрены в научную и производственную практи-. ку разнообразные устройства, приспособления, приемы физико-химического анализа углеводов: полифункциональные приставки.к ИК-спектро-' метрам, способы регистрации ИК-спектров в водных растворах, приемы уменьшения светорассеяния волокон. Развиты средства автоматизации ■ спектроскопических измерений: машинный анализ сложных многокомпонентных смесей по спектру ЯМР ^С, система аккумуляции сигналов,. система обработки экспериментальных контуров на ЭВМ.

3. По данным теоретического анализа и эксперимента в молекулах D-. альдопентопираноз и D-альдогексопираноз, их О-метильннх производных наиболее устойчивы креслообразные информации ^Cj и íc^. Число, место локализации, ориентация метоксигрупп не оказывают существен-

ного влияния на искажение формы кольца. Установлены общие для Д)-альдонираноз закономерности, связывающие запреты на ротационные состояния групп с конфигурацией асимметрических центров, а в случае П-0-метил-1> -альдопиранозидов - с конфигурацией сахарида, числом

' и местом присоединения метоксигругш. Сформулированы правила запретов, предложены формулы числа разрешенных конформеров в этих соединениях. Ротамеры ди- и три-О-метильных производных эффективно моделируют конформационные возможности линейных и разветвленных полисахаридов. Энтальпии, энтропии и свободные энергии равновесных смесей конформеров и ^-аномеров ряда Х> -альдопираноз согласуются с опытом, т.е. аномерный эффект следует из расчета автоматически. Наблюдалось полное согласие спектроскопических данных с результатами теоретического предсказания.

. 4. Оценены конформационные энтропии молекул моносахаридов, предста-

. влены формулы для вычисления конформационных энтропий линейных, разветвленных, 'смешанных, частичнозамещенных полисахаридов. Дан анализ вероятности замещения ОН-групп в Хьгликанах, гибкости цепей о. увеличением степени разветвления.

6. Проведена систематика внутримолекулярных Н-связей в молекулах Э-альдопираноз и их производных, на основе которой интерпретированы ИК-спектры растворов моносахаридов в -области О(ОН). С помощью специальных приемов Ж-спектроскопии исследованы растворы моно-, ди- и полисахаридов в обычной и тяжелой воде. Фиксированы различия в характере связывания гидроксилов с молекулами воды, высокие ротационные возможности групп СН20Н. '

' 6..Обнаружено явление селективной^-аномеризации агликона при образовании оснований Шиффа 3>-гексозаминов с ароматическими альдегидами. На основание спектроскопического эксперимента, расчета свободных энергий ос-л ^-аномеров оснований Шиффа, модельных аналогов предложен механизм* реакции конденсации лэ-гексозашнов с альдегидами, проведен синтез ряда 6-аномеров производных Зьгексозаминов с ■конформацией ".-. ... '.

7. Методом ААЛФ проанализированы 'возможные формы макромолекулы цел-люлрзы, предсказаны поляризации полос колебаний О(СН),\)5(СН2), \)Я5. (СН2), О (СО) и х)(ОН) в ИК-спектрах целлюлозы с-осевой ориентацией. В оптимальных конформациях целлюлозы вероятна реализация двух внутримолекулярных Н-связей типа. 0-3-Н.. .0-5 и 0-2-Н.. .0-6.,.Кристаллической конформации отвечает наиболее богатый ротационный' набор. Интерпретированы ИК-спектры целлюлозы. Изучены невалентные взаимодей-

ствия и информации в эфирах целлюлозыI Конформация цикла ^С^ предпочтительна для всего семейства производных целлюлозы; фактором малой устойчивости структур с иной формой кольца является от-, талкивание атомов остова глюкозного остатка. Дана сравнительная ' оценка информационной подвижности цепей, исследовано влияние на их жесткость свойств среды. Базируясь на результатах теоретическо--го анализа, посредством ЯМР и ИК-спектроскошш разработаны способы оценки химической неоднородности, доступности непроэтерифици-рованных ОН-групп, адсорбционных свойств'"'эфиров целлюлозы.

8. Методом МПФ установлены ротационные состояния ОН-групп, определены геометрические и энергетические параметры Н-связей в кристаллических моносахаридах. Полное согласие результатов теоретического анализа с нейтронографией свидетельствует о высокой предсказательной способности метода. Уточнены молекулярно-кристалличаские структуры ряда Ь-альдопираноз и их производных. За пространственное положение групп ОН в кристаллах ответственны прежде всего меж-> молекулярные Н-связи.

9. Проведен статистический анализ геометрических и энергетических параметров 264 симметрически независимых 0-Н...0 Н-связей в кристаллах 65 углеводов. Параметры Н-связей характеризуются широким распределением. Фиксирован линейный характер равновесной связи 0-Н...0. Упаковка молекул углеводов, характер Н-связывания определяются кооперативными свойствами ансамбля ОН-групп. Предложено соотношение для оценки суммарной энергии Н-связывания, представлены корреляции параметров связей 0-Н...0 с частотами колебаний О(ОН), . на основе которых интерпретированы ИК-спектры моносахаридов.'

10. Полученные в работе данные заложили теоретическую и экспериментальную •основу для дальнейших фундаментальных и прикладных исследований невалентных взаимодействий, конформаций в обширном классе углеводов, направленных на решение структурно-аналитических задач, установление структурно-функциональных зависимостей, механизмов реакций с участием углеводов, целенаправленное конструирование материалов с заданным комплексом свойств.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

1. Панов В.П., Жбанков Р.Г., Малахов P.A. ИК спектры нитратов целлюлозы в области валентных колебаний групп ОН и СН, // Выоокомолек.соед. 1969. Î.IIA. С.2554-2559,

2. Панов Б.П., Жбанков Р.Г., Малахов P.A. Исследование.растворов нитратов целлюлозы методами ИК спектроскопии. // Вы-сокомолвк.соед, 1970. T.I2A. C.I527-I532.

3. Панов В.П., Жбанков Р.Г. Инфракрасные■спектры и структура нитратов целлюлозы. Минск, 1У70 (Препринт/ Ин-т физики АН

4. Панов В.П.у Жбанков Р.Г., 'Малахов P.A. Влияние степени этерификации и природы нитратов целлюлозы на их взаимодействие с молекулами воды // Выоокомолек.соед. 1970. T.I2A, С.1768-1772.

5. Панов В.П., Жбанков Р.Г..Малахов P.A. Установление возможных типов конформаций элементарного звена тринитрата целлюлозы с помощью теоретических расчетов. // Высокомолек. соед. 1970. Т I2A. С.2435-2445.

6. Панов В.П., Железнов В.И. Приставка к инфракрасным спектрометрам для исследования полимерных материалов. // Заводская лаборатория. 1970; Т.36. 0.1535-1536.

. 7. Панов В.П.,. Дубина В.П., Жбанков Р.Г. Исследование продуктов дейтерообмена различных по структуре нитратов целлюлозы , с^помо|ью^метода^ИК спектроскопии. //Выоокомолек.соед.

8, Панов В.П,, Жбанков Р.Г. Исследование адсорбции молекул воды нитратами целлюлозы методом ИК спектроскопии. // Выоокомолек.соед. 1971. T.I3A. С.2671-2675,

9, Ternov V;P., Zhbenkov R.G. Ihe conforaational analysis of cellulose trinitrate and triacetate..// Thesis of IUPAC -s.yrap. "Conformational structure of polymers1'. Praga, CSR, 1972. P.A4-A5. ' -

10. Панов В.П.,. Жбанков Р.Г. Конфошационный анализ сахаридов и .полисахаридов методом ЯМР. // Журн.прикл.спектр. 1973. Т.18. C.II03-II20.

11. Панов В.П.,'Жбанков Р.Г., . Евдаков В.П. Конформационный анализ тринитрата целлюлозы. У/ Выоокомолек.соед. 1973,

• T.I5A, C.I468-I478. ......

12. Жбанков Р.Г., Колосова Т.Е;у Панов В.П. Конформационный . анализ углеводов спектроскопическими методами.•// Журн.

прикл. спектр'. 1973. Т;19. С;83-92. • : ' -

13. Панов ВЧП., Жбанков Р.Г., Колосова Т.Е.'Ядерный магнитный резонанс углеводов и их бициклических производных. // В сб. Тезисы XI Евролейокого конгресса по молекулярной спектро-

-, окошш. Таллин. 1973. С.218. . '

14. Сивчик В.В., Грушецкий K.M., Грицан В.Н;, Жбанков Р.Г., Панов В.П. Программа расчета частот и-форм нормальных колебаний многоатомных молекул с предварительным установлением их конформаций и учетом симметрии. // Об.докладов Всесоюзного семинара "Использование ЭВМ в спектроскопии молекул". Новосибирск. 1973. С.55-57, • •..-•■..

15. Панов В.П., Луковкин Г.М. Конформационный анализ моносахаридов, содержащих 4,6ч5энзилиденовые и ос-окисные циклы методом ЯМР (I-H и 13-0). // В сб. тезисы Ш Советско-Ин- . дийского симпозиума "Химия природных соединений".' Ташкент. 1973, C.III.

16. Панов В.П., Трухманов А.К., Евдаков В.П., Жбанков Р.Г. Аномерный эффект в производных 2-амино-2-дезокси-£> -гек-сопираноз. Там же. С.132-133.

17. Панов В.П., Трухманов А.К., Жбанков Р.Г. О специфике ано-мерного эффекта в основаниях Шиффа J) -глюкозамина с ароматическими альдегидами. // Журн.прпкл.спектр. 1973. T.I9. C.II3I—1133.

18. Панов В.П. Жбанков Р.Г. Теоретическое исследование возможных конформационных состояний триацетата целлилозы. // Высокомолек.соед. 1974. T.I6A. С.807-815.

19. Панов В.II., Жбанков Р.Г. Конформации Сахаров (физические методы исследования). // Минск, 1975: 2lfc.

20. Колосова Т.Е., Цецохо Т.А., Палов В.П. Исследование кон-формаций пиранозных колец моно- и полисахаридов методами ' колебательной спектроскопии и ЯМР I3-G..//В сб.докладов

I Всесоюзной конференции по химии и физике целлюлозы.Рига. 1975. С.32-35. *

21. Грицан В.Н., Панов Б.П. Теоретический информационный анализ фрагментов цепи макромолекулы целлюлозы. Там же.'С.36-

22. Панов В.П., Грицан В.Н., Дубровин В.И., Жбанков Р.Г. Кон-формадионный анализ и аномерный эффект в л>-глюкопиранозе. //ДАН БССР. 1976. Т.20. С.799-802.

23. Овсепян A.M., Кобяков В.В., Панов В.П. ПК спектроскопия муяополисахарядов в водных растворах. // Журя.прикл.спектр. 1977. Т.26. С.302-305.

24. Панов В.П., Грицан В.Н,, Жбанков Р.Г. Конформации Э-аль-допираноз. Общие закономерности. // ДАН БССР. 1977. Т.21. С.236-239.

25. Панов В.П., Грицая В.Н., Жбанкбв Р.Г. Внутримолекулярные водоро^ные^связи в а-альдопиралозах. //ДАН БССР. 1977.

26. Панов В.П., Свергун В.И., Смирнов М.Б., Тарабакин C.B. Определение среднечисловой молекулярной массы макромолекул ^екстрана методом ЯМР. // Хим.-фарм.ж. 1977. T.II, jf 12.

27. Панов В.П., Грицан В.Н., Жбанков Р.Г. Конформации моно-, ди-, три-О-метил-О-глюкопиранозидов. // ДАН БССР. 1977. Т.21. C.II06-II09.

28. Панов В.П., Грицан В.Н., Жбанков Р.Г. Конформации а-0--метил-D -альдогексопиранозидов. // ДАН БССР. 1978. Т.22. С.238-241.

29. Панов В.II., ОЕсепян A.M., Кобяков В.В., банков Р.Г. ИК спектры водных растворов некоторых полимеров. // Жури, прикл-цпектр. 1978. Т:29. С.62-68.

30. Свергун В jr., Тарабакин C.B., Панов В.П. Автоматическая система записи, обработки и аккумуляции спектров ЯМР на магнитную ленту. // Жури.прикл.спектр. 1978. Т.29. С.511-514.

31. Панов В.П., Грицан В.Н., Жбанков Р.Г. Конформации и ИК-дихроизм макромолекул целлюлозы. // Журн.прикл.спектр. 1У7Э» 1 • 30Ф 0»'293*-253»

32. Овсепян A.M., Кобяков В.В., Панов В.П. Анализ гепарина и хондроитинсульФатов методом Ж спектроскопии в растворах Х)?0. // Хим.-фарм.ж. 1979. T.I3. № 3. С.59-62.

33. Панов В.II., Овсепян A.M. Физико-химическое изучеийе гепарина. // Хим.-фарм.ж. 1979. Т.13. № 12. С.72-86.

34. Панов Б.П., Спичак В.Д., Дубина В.Ц. Исследование нитратов целлюлозы методом ЯМР I3-C спектроскопии. // Высокомолек. соед. 1981. Т.23А. С.412-421.

35.- Панов В.П. Молекулярная Фармакология и метод атом-атомных потенциальных функций. // Хим.-фарм.ж. 1981. Т.15. № 4.

С,116-118.

36. Панов В.П. Метода информационного анализа моно- и -полисахаридов. Ц Б сб."Методы исследования целлюлозы". Рига.1281. С.222-233.

37. Gritzen V.H., Panov V.P.■ Kachur V.G. Theoretical analysis oif hydrogen bonds in carbohydrate crystals. // Carbohyd.Ess. 1983- V.112. P.11-21.

38. Панов В.П. Невалентные взаимодействия в биоорганических системах. // Хим.-фарм.ж. 1983. Т.17. С.506-509.

39. Panov V.P., Tarabaicin S.V., Dubrovin V.I., Eichhoff U. The automatic analysis of conplicated mixtures by CliR. Determination of free amino acids, carbohydrates in tissue hydrolisa-tes. // Thesis of VH-th Meeting of the Int.Soc.Uag.Rea. Chicago, USA. 1983. P.93.

40. Svergun V.I., TarabaJcin S.V., Dubrovin V.I., Panov V.P., Eichhoff U. Automatic procedure for quantitative analysis of mixtures by means CUR. // Bruker Report.19S3. V.1.

P.26-29.

41. Панов В.П., Жбанкob P.Г. Статистический анализ 0-Н...О водородных связей в кристаллах углеводов. // ДАН БССР. 1984.

Т.28. С.441-444.

42. Панов В.П., Овсепян A.M. Исследование солей гепарина спектроскопическими методами. // Высокомолек.соед. 1984. Т.26А. C.I9S3-I970.

43. Панов В.П., Хбанков Р.Г. Корреляция между параметрами водородных связей 0-Н...0 в кристаллических углеводах и частотам 0-Н валентных колебаний. // ДАН БССР. I984.T.28.C.82I-824.

44. Панов В.П., Дубровин В.И., Тарабакин С.В., Айххофф У. Определение состава многокомпонентных смесей по спектру fiJ.iP I3-C с помощью ЭЕМ. // Хим.-фарм.х.1985. T.I9. С.230-236.

45. Иванкия А.Н., Панов В.П., Васюков С.Е. Получение, свойст-. п^именение^хон^роитинсульфатов.// Хим.-фарм.ж. 1985.

46. Панов В.П., Ыбанков Р.Г. КоШюрмационные энтропии моно- и полисахаридов. // ДАН БССР. 1986, Т.30. С,154-157.

47. Панов В.П. Ротационные состояния и информационные энтропии моно- и полисахаридов. / В сб."Межмолекулярное взаимодействие и информации молекул". Пущияо. 1987.

48. Панов B.1I., Грицан B.h., Жбанков Р.Г. Селективная аномери-зация агликона при образовании основания ШифФа глюкозамина с ароматическими альдегидами. // ДАН БССР.198£?.Т.ЗЗ.С.

49. Панов В.П., Дубровин В.и., Тарабакин С.В., Сметанина Т.А, Обработка спектров на ЭВМ. //Хим.'-фарм.к. 1987. 7,21. С. 879-883. . ■

50. Panov V.P. Hydrogen bonds in carbohydrates. / Thesis of Int.Symp. "Horizons in H-bond research". Polanica Zdroj. Poland. 1987.

51. Панов В.П., Жбанков P.Г, Внутри- и межмолекулярные взаимодействия в углеводах. //• Минек.1985: 35Э с.